浅议黄河下游堤顶裂缝形成机理和防治措施（董洪灿,石礼云）

时间：2021-01-14 08:06:33　来源：柠檬阅读网本文已影响人

【摘要】本文通过对山东东明标准化堤防堤顶裂缝的调查研究，分析了堤顶裂缝的形成机理，提出了预防措施和治理对策，对于顺利推进黄河标准化堤防建设，维持黄河健康生命有着重要的理论意义和实用价值。

【关键词】黄河下游裂缝成因预防治理

黄河标准化堤防建设是国务院批准实施的《黄河近期重点治理开发规划》中的一部分，包括防洪、水资源利用保护和水土保持生态建设，总投资514亿元，将用10年时间，建成黄河防洪减淤体系，以防御黄河花园口站洪峰流量22000ｍ3/ｓ为设计防洪标准，使重点河段防洪工程达到设计标准，将现有堤防建设成“三条线”：即防洪保障线、抢险交通线、生态景观线〔1〕。目前黄河标准化堤防建设一期工程已经结束，取得了初步的成效。但在河南、山东南岸新修建标准化堤防及道路多处出现纵向裂缝。随着时间的推移，不少堤段还出现了一些次生裂缝。下面，以山东东明堤顶裂缝为例进行初步探讨：

1　概况

东明黄河标准化堤防全长约61.135km，包括大堤帮宽、放淤固堤、堤顶道路、险工和防护坝加高改建、防浪林建设等项目。根据设计要求，需完成帮宽大堤46.798公里，土方54.31万立方米；
放淤固堤总长度60.845公里，土方3710.5万立方米；
险工和防护坝加高改建5处，176道坝，土方186.46万立方米，石方17.51万立方米；
新修堤顶道路61.135公里;新植防浪林35.042公里。

东明内资堤顶道路工程（156+050-182+650），于2004年5月12日开工，2004年9月28日完成主体工程，硬化道路长度26.6公里；
亚行堤顶道路工程（182+650-217+968），于2004年10月20日开工，2005年6月2日完成主体工程，硬化道路长度34.535公里。自2004年11月发现堤顶道路出现纵向裂缝至2005年底，裂缝总长度37755m，其中背河侧路肩9777m，临河侧路肩6476m，堤顶路面21502m；
主要分布在临黄大堤右岸桩号156+050-167+200、167+400-182+600和213+600-215+750等堤段。裂缝最大探试深度4~5m，最大裂缝宽度为40cm；
平均纵向裂缝长102m，平均探试深度2.1m〔2〕。　

2　裂缝的类型及存在的危害

2.1　裂缝的类型

道路裂缝是道路路面常见的病害，常见的裂缝主要有纵向裂缝、横向裂缝、网状裂缝等。研究表明，公路裂缝根据产生的主要原因分为：(1)强度裂缝。由于路基、路面整体强度不足而引起的裂缝，通常表现弯沉较大，伴随出现沉陷、车辙等病害。(2)面层弯拉疲劳裂缝。由于路面材料弯拉强度不足，在车轮荷载反复作用下，路面发生弯拉疲劳裂缝，这种裂缝先出现纵向进而发展为网状裂缝。(3)老化裂缝。由于材料老化，变形能力减小，路面被拉断，多呈龟裂。(4)基层反射裂缝。多出现于半刚性基层或旧水泥混凝土路面上。(5)低温胀缩裂缝。由于温度下降，路面发生较大的收缩应力，在外荷载的作用下也会出现疲劳断裂。(6)路基沉陷和施工接缝处理不佳产生的裂缝。(7)路基冻胀裂缝。由于路基含水量大，冬季冻胀将路拱起而断裂。根据裂缝产生的原因，以上七种情况可概括为三类:即强度裂缝、温度胀缩裂缝、结构和施工裂缝。

2.2　裂缝的危害

裂缝在一定程度上导致路面结构强度的削弱，在车辆荷载和降水的作用下，大气降水沿裂缝下渗，路面基层和路基含水量过大，路基整体强度降低，引起路面下陷；
如果冻胀，路面会隆起，春融季节发生翻浆，往往带来路面病害的恶性循环，会最终导致路面破坏。　

东明标准化堤防纵向裂缝造成了道路路面破坏，不利于行车安全。更为严重的是，降水时，雨水通过裂缝下渗，堤身裂缝继续扩大，可能导致大堤的跨塌；
特别是汛期或发生大洪水时，平时干燥的堤身非饱和土体遭受洪水浸泡后，土体强度下降，加上裂缝的存在会降低堤防的安全系数，对大堤安全造成严重的威胁，应引起高度重视。

3 裂缝成因分析

黄河标准化堤防的裂缝成因有其特殊性。针对黄河标准化堤防的实际情况，运用土力学、渗流等理论分析认为：淤背施工、淤背施工速度快、排水不畅、堤顶堆载、湿化变形、车辆作用等是引起堤防土体破坏，堤身出现裂缝的主要原因。

3.1　淤背施工是引起堤身出现裂缝的根本原因。淤背施工时，淤背体本身的重量对堤基堤身产生了很大的作用力，从而直接导致了堤防裂缝的产生与扩展。

3.2 　由于标准化堤防建设施工工期太紧，淤背施工强度大及其加载速率过快是引起堤身出现裂缝的主要原因。淤背施工速率越小，堤身的倾度值、拉应变值相对较小，堤身产生裂缝的范围也相对较小；
淤背施工速率越大，堤身的倾度值、拉应变值也相对较大，堤身产生裂缝的范围也会扩大。因而控制淤背施工速率是关键。

3.3　淤背施工时，淤背体水分入渗至堤身，而黄河大堤长年不靠水，堤身浸润线很低，堤身土体多属于非饱和土，遭遇水流后会发生应变软化及湿化变形，从而恶化了堤身的应力状态，促进了堤身裂缝的产生与扩展。　

3.4　利用简易冲吸式挖泥船进行施工与利用水力冲挖机泵施工的放淤固堤工程相比，堤防出现的裂缝相对较少；
因放淤固堤部分段落为泵淤施工，淤背区内水分排出速度慢，长期积水，排水速度及排水状况直接影响裂缝的产生。与泵淤方式相比，船淤方式所取泥沙的粒径相对较大，渗透系数大，排水相对较快，因而淤背施工采用船淤方式更为有利。加速排水不仅可以减少淤背体对堤身水分的入渗，还可有效地降低淤背体对堤基产生的附加应力，是避免或减少裂缝行之有效的措施。

3.5　为加快工程施工进度，在淤背区淤沙施工未完的情况下，部分标段采取在背河堤肩备土，待淤沙完成后用于包边盖顶的施工方式。堤顶堆载显著地加剧了堤身的破坏与裂缝的产生，因而堤顶堆载是一种非常不利的工况，在施工过程中应尽量避免。

3.6　淤背与修路同时进行，施工工序安排不合理。先淤背后修路时，有利于改善堤身应力状况，可以避免或减小堤顶道路与堤身接触处因变形不协调而产生较大拉应力，从而减少堤防裂缝的产生，因而先淤背后修路工况优于先修路后淤背工况。

3.7　险工改建及放淤固堤工程施工中间，运输土方、石方的重载车辆在堤上行驶时，会加剧堤身裂缝的形成与扩展，可能导致堤身产生多条次生裂缝，因车辆荷载的影响也较大，标准化堤防施工及投入运用后，均需限制重型车辆的行驶。

3.8　东明堤防帮宽工程全长46.798km，从2003年4月开始施工，至2004年底完工，大堤堤身加宽工期过短，堤防道路施工时，地基固结过程尚未完成，堤防道路施工完成以后，新加宽堤身仍会发生沉降变形，从而导致大堤产生不均匀沉降。

堤防土体力学特性是影响堤防力学性态、堤防应力应变状况的内因，是堤身是否产生裂缝的重要原因。淤背设计时，需针对具体情况进行分析，采取适当施工速率及预防措施。综合分析表明，影响堤身裂缝产生的主要原因依次为：淤背体荷载>施工速率>湿化变形>排水速度>堤顶堆载>堤顶道路施工顺序>车辆荷载。

4　裂缝预防措施

对于堤基及堤身土质条件较差堤段，任何单项工程措施都很难保证堤身不产生裂缝，只有多种措施有机地结合，才能确保淤背施工时堤防不开裂。标准化堤防建设时，建议结合堤防的土体力学特性，采取多种措施相结合进行标准化堤防施工与运行管理，如在坚持合理的施工速率的前提下，采取加速排水、先淤背后修路等有利工况，尽量避免堤顶堆载，控制重载车辆行驶，并只有这样才能避免或减少堤防裂缝的产生。

黄河下游标准化堤防建设时，可采取合理选择机淤料场及机淤方式，优化施工排水设计，精心组织、规范施工、控制施工工期等措施预防堤防裂缝的产生。

4.1　淤背施工速率是影响堤防安全，导致堤身开裂的重要原因，应采用合理的淤背施工速率。

放淤固堤合理施工速率与土壤特性、排水条件等因素密切相关，仅从施工速率及施工排水情况来看，淤背合理施工速率及排水方式可确定如下：对于土质较好堤段，在排水良好的前提下，淤背施工速率可采用1.0m/月；
对于土质较差堤段，在排水良好的前提下，淤背施工速率可采用0.7m/月~0.8m/月。

4.2　合理选择机淤料场及机淤方式。

为了有利于淤背体冲填施工中快速排水的需要，根据机淤设备的不同特点，在进行放淤固堤工程设计时，尽量设计为船淤；
同时在进行土料场的选择时，要对土料场取样进行颗粒分析试验，尽量选择土粒组成较粗的沙性土料场。

4.3　优化施工排水设计。

为了使淤背体在冲填施工过程中能够快速排水，应加强排水设施的设计，力求建立较为完善的排水系统，在每级淤背完成以后，短时间内迅速排除淤背体内水分，使淤背表面无积水，保证排水线路的正常运行。淤背体内滞水区应设置于淤背体坡脚侧，尽量减少淤背体堤身侧的滞水。可以设计沙井、沙沟、盲管等排水设施〔3〕。

4.4　合理设计施工顺序，精心组织，控制施工工期。

施工方法正确，工序合理。确定合理的施工工期。施工中应严格按设计的施工工期进行施工速率的控制，并严格按规范要求分级进行施工；
而且各项工程要设计合理的施工顺序，一般最好不要进行交叉施工，堤防道路最好放在最后施工。

4.5　尽量避免堤顶堆载，限制超重车辆在堤防上运行。

在施工过程中，堤顶堆载、重载行驶均显著地加剧了堤身裂缝的产生，是非常不利的工况，在施工中应该尽量避免。

5裂缝处理措施

对黄河下游标准化堤防已出现裂缝的堤段，可采取锥探压力灌浆处理、开挖回填等措施进行处理〔4〕。

5.1　锥探压力灌浆处理。

灌浆可起到充填与压密作用。灌浆法是处理堤防裂缝，防止渗漏的极其有效的方法之一，锥探灌浆适用面很广，一般裂缝范围较大、较复杂的情况都可以采用锥探压力灌浆的方法。80年代黄河下游堤防已全部灌浆过一遍，在黄河堤防加固方面起到了明显作用，同时积累了一定施工经验。实践证明，利用灌浆方法处理裂缝，可以消除堤防隐患，加固了堤身土体质量，提高了大堤强度，增强了堤体稳定性。

5.2　开挖回填。

开挖回填是处理堤防裂缝比较彻底的方法，这种方法适用于经过观察和检查已经发育稳定的裂缝；
根据裂缝具体的情况，可以将裂缝全部挖除，然后回填夯实。对于贯穿性的裂缝，应首先考虑开挖回填的办法。该方案优点是可以较为彻底地处理裂缝，解决裂缝的影响，处理施工质量能够保证；
缺点是开挖回填的工作量大、投资也大。

5.3　其它处理措施。

可采取自流灌浆法、横墙隔断、封堵缝口、开挖回填和灌浆相结合等方法进行处理。

在黄河下游标准化堤防建设中，当堤防发现裂缝时，不能盲目进行处理，应对裂缝的性质进行详细的调查了解，应根据具体裂缝的实际情况，采用多方案论证，针对具体的情况而设计采用不同的处理方法，并应首先进行现场试验，以便设计选取合理、可靠、彻底、经济、便捷的裂缝处理措施。特别是对于正在发育中的裂缝，应当慎重处理，一般应等到裂缝定型稳定后再进行处理，或采取临时处理措施。造成堤身裂缝的因素多而复杂，发生时期较长，是一个相对蠕变的过程，必须进行综合治理，才能取得良好的效果，进而从根本上解决存在的隐患，确保堤防的安全。

参考文献

[1]崔建中，张喜泉. 黄河下游标准化堤坝防建设的思路与对策研究. 人民黄河，2002，24(4)

[2] 黄河水利科学研究院、山东黄河河务局、荷泽黄河河务局. 山东东明黄河大堤纵向裂缝形成机理及防治对策研究报告,2006.2

[3] 杜玉海著.黄河下游淤背固堤技术研究与实践.郑州：黄河水利出版社，2002.10

[4]山东东明标准化堤防建设工程黄河大堤裂缝应急处理实施方案. 黄河勘测规划设计有限公司，2005.6

作者简介：董洪灿（1975-），男，汉族，山东菏泽人，工程师，现在山东黄河河务局菏泽黄河河务局工作，主要从事防洪工程建设管理工作。

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